CN101368251B - 一种大厚度临氢设备用钢板及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种大厚度临氢设备用钢板及其生产工艺，属于炼钢技术领域。以质量百分比计，钢板由以下元素组成：C0.13～0.15％、Si≤0.10％、Mn0.50～0.60％、P≤0.008％、S≤0.007％、Ni0.14～0.18％、Cr2.30～2.50％、Cu≤0.15％、Mo0.95～1.10％、Nb0.015～0.020％、Ti0.010～0.020％、Al0.020～0.045％、As≤0.016％、Sn≤0.015％、Sb≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明钢板的交货状态为正火+回火，钢质纯净，抗氢蚀能力优良且具有良好的焊接性和综合力学性能。

Description

一种大厚度临氢设备用钢板及其生产工艺

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，主要涉及的是一种大厚度临氢设备用钢板及其生产工艺。

背景技术

自60年代以来，21/4Cr-1Mo钢一直是临氢设备普遍采用的材料，我国主要依赖进口。由于长期处于高温、高压、临氢状态，设备材质容易发生回火脆化，且有相当的氢扩散、渗入并溶解于钢中，对钢造成损伤。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严重时会导致鼓包、皱折或裂纹；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳；使钢中的硫化物与氧化物还原。作为建造加氢反应器用的2.25Cr-1Mo钢具有较强的氢脆敏感性，在含氢介质环境中，氢可能在钢的缺陷部位引发氢诱导开裂。因此，普通的21/4Cr-1Mo钢从抗氢性能和抗蠕变性能考虑，最高使用温度限制到454℃，满足不了某些油品加氢装置和煤加氢液化装置的需要。

伴随着冶炼技术的不断提高，21/4Cr-1Mo钢的纯洁性、匀质性、抗氢性和综合机械性能都在不断的得到改善和提高，21/4Cr-1Mo-0.25V钢就是在此基础上开发出的新钢种。虽然后者的抗氢性和综合机械性能有所提高，但该钢种焊接性稍差，冷裂倾向大，焊接条件更为苛刻。

此外，已商品化的抗氢钢板还存在规格范围窄的问题。由于厚板的热处理工艺难度大，国家最新标准规定厚度极限为150mm。但是就目前国内的生产技术装备和工艺技术而言，厚度超过120mm很难保证钢板性能，无法满足日益增长的厚板市场的需求，主要依赖进口产品补给。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大厚度的临氢设备用钢板，在不降低普通Cr-Mo抗氢钢板综合力学性能的基础上，使之既具有良好的抗氢蚀能力，又具备良好低温韧性和焊接性能。

这一目的是通过以下技术方案实现的：一种大厚度临氢设备用钢板，其特征在于以质量百分比计，钢板由以下元素组成：C0.13～0.15％、Si≤0.10％、Mn0.50～0.60％、P≤0.008％、S≤0.007％、Ni0.14～0.18％、Cr2.30～2.50％、Cu≤0.15％、Mo0.95～1.10％、Nb0.015～0.020％、Ti0.010～0.020％、Al0.020～0.045％、As≤0.016％、Sn≤0.015％、Sb≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述大厚度临氢设备用钢板的厚度为137mm。

一种所述大厚度临氢设备用钢板的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线300～500m，大包温度≥1600℃时，吊包VD炉真空处理；

(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度为1555～1565℃；

(3)加热工艺：为了避免Cr-Mo钢钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉30分钟以上，焖钢1小时；为保证合金元素充分固溶、r晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度≤120℃/h，最高加热温度为1250℃；

(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，温度在950～1150℃之间，累计压下率≥70％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度≤930℃，终轧温度≤900℃，压下率应尽量大，累计压下率≥50％，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，细化了晶粒；

(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为680～720℃；

(6)热处理工艺：钢板经过修磨、探伤和抛丸后，进行正火+回火处理，正火温度为930±10℃，总加热时间为2min/mm，正火后按照辊速3m/min低速和上下水比1：3的大水量进行冷却，入水温度≥880℃，钢板冷却速度≥3℃/S，返红温度≤300℃；回火温度为710±10℃，总加热时间为2.5min/mm，回火后自然冷却。

本发明所述的技术方案以Cr-Mo为基本的合金元素对钢板进行成分含量设计和生产工艺控制，据此生产出的钢板钢质纯净，晶粒度达到了8级，组织为回火索氏体；抗氢蚀能力优良；具有较高的强度和韧性，尤其是-30℃低温韧性好，抗疲劳性能优异；焊接性良好，焊接冷裂倾向小，焊接时所需的热处理温度较2 1/4Cr-1Mo-0.25V钢低。

本发明根据各元素的功能将其限定在特定的范围内，其中：

C含量为0.13～0.15％，主要与其他元素形成碳化物，起组织强化和析出强化的作用，使钢板强度增加。Cr和Mo作为碳化物形成元素，可以使钢中的碳元素以化学性质较为稳定的合金碳化物形式存在下来，缓和碳在铁素体中的扩散，从而减轻在钢表面和内部发生的甲烷反应，提高钢的抗氢蚀性能；同时它们还能提高钢的淬透性、抗高温蠕变断裂性和高温强度。

Nb的含量为0.015～0.020％。该元素与碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，能够阻止奥氏体晶粒长大从而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，使钢具备很好的抗氢性能。Ti含量为0.010～0.020％，与Nb的作用接近，能够改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度，并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。

Ni的作用主要是增大奥氏体的过冷度，从而细化组织，取得强化效果，并增加钢的耐大气腐蚀能力，提高低温冲击韧性和降低冷脆转变温度。因此本发明要求Ni含量为0.14～0.18％。

要求Al的含量为0.020～0.045％。Al在炼钢中用作脱氧定氮剂，同时还能够细化晶粒，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；若含Al量较高，则会降低钢板高温强度和韧性。

Mn主要起固溶强化和降低相变温度提高钢板强度的作用，同时能促进P的回火脆性，含量过高时时，会使钢的焊接性能变坏，同时也会使钢的耐锈蚀性能降低，因而本发明中Mn的含量为0.50～0.60％。

杂质元素P、S、As、Sn和Sb在工艺设备能力下应尽可能降低，以获得较低的回火脆性敏感性。此外，对钢材的回火脆化敏感性系数J和X有影响的元素还有Mn、Si。考虑到钢淬透性及强度等因素，钢中要求有一定的Mn含量，因此降低钢中的Si含量对降低J系数十分重要。本发明中Si的含量不能超过0.1％。

采用本发明所述技术方案生产出的大厚度临氢设备用钢板具有很低的J系数和X系数，采用II型控轧工艺，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均、冲击韧性降低现象，适合低轧制压力轧机生产高强钢。钢板的交货状态为正火+回火，组织为回火索氏体，有较高的强度和良好的低温韧性，提高了钢板的综合力学性能，同时具有良好的抗氢蚀能力。正火+回火工艺生产的大厚度Cr-Mo抗氢钢板在行业内尚无先例。

具体实施方式

本发明的大厚度临氢设备用钢板各成分的实际含量，以质量百分比计，如表1所示，其厚度为137mm，头、尾部的焊接冷裂指数Pcm分别为0.37％、0.36％，碳当量Ceq为0.91％。

表1 大厚度临氢设备用钢各成分的含量及回火脆化敏感性系数

大厚度临氢设备用钢板的生产方法为：

(1)冶炼工艺：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线300～500m，大包温度≥1600℃时，吊包VD炉真空处理；

(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1555—1565℃；

(3)钢锭清理和加热工艺：为了避免Cr-Mo钢钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉30分钟以上，焖钢1小时；为保证合金元素充分固溶，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度≤120℃/h，最高加热温度1250℃。

(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，约在950～1150℃之间，此阶段大多数道次压下量为8～25％，累计压下率≥70％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒。第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度≤930℃，终轧温度≤900℃，此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥50％；

(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为720℃左右，冷却速度10～20℃/S；

(6)热处理工艺：钢板经过修磨、探伤和抛丸后，对钢板进行正火+回火处理，正火温度为930±10℃，总加热时间为2min/mm，正火后按照辊速3m/min低速和上下水比1：3的大水量进行冷却，入水温度≥880℃，钢板冷却速度≥3℃/S，返红温度≤300℃。回火温度为710±10℃，总加热时间为2.5min/mm，回火后自然冷却。

与普通的2 1/4Cr-1Mo钢和21/4Cr-1Mo-0.25V钢相比，本发明钢板的焊接冷裂指数和碳当量相对较低，这表明钢板具有焊接性良好，焊接冷裂倾向小，焊接时所需的热处理温度较低。具有较低的J系数和X系数，组织致密，宏观上不存在缺陷，具有良好的耐蚀性能，

依据本发明所述技术方案生产大厚度临氢设备用钢板，对其中部分批次进行力学性能测试，其结果如表2所示。实验结果表明，本发明的大厚度临氢设备用钢板具有很好的综合力学性能，强度高、韧性强，尤其是-30℃低温韧性好，抗疲劳性能优异，完全能够满足临氢设备用钢的要求，适合大批量生产。

表2 大厚度临氢设备用钢板的性能测试结果

注：试样编号中T-代表头部试样；W-代表尾部试样。

Claims (2)

1.一种大厚度临氢设备用钢板的生产方法，其特征在于，以质量百分比计，钢板由以下元素组成：C0.13～0.15％、Si≤0.10％、Mn0.50～0.60％、P≤0.008％、S≤0.007％、Ni0.14～0.18％、Cr2.30～2.50％、Cu≤0.15％、Mo0.95～1.10％、Nb0.015～0.020％、Ti0.010～0.020％、Al0.020～0.045％、As≤0.016％、Sn≤0.015％、Sb≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述的生产方法包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线300～500m，大包温度≥1600℃时，吊包VD炉真空处理；

(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度为1555～1565℃；

(3)加热工艺：钢锭温送、温清、温装，装钢前晾炉30分钟以上，焖钢1小时；采用低速烧钢，1000℃以下升温速度≤120℃/h，最高加热温度1250℃；

(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在950～1150℃之间，累计压下率≥70％，使奥氏体发生完全再结晶，第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度≤930℃，终轧温度≤900℃，累计压下率≥50％；

(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为680～720℃；

(6)热处理工艺：钢板经过修磨、探伤和抛丸后，进行正火+回火处理，正火温度为930±10℃，总加热时间为2min/mm，正火后按照辊速3m/min低速和上下水比1∶3的大水量进行冷却，入水温度≥880℃，钢板冷却速度≥3℃/S，返红温度≤300℃；回火温度为710±10℃，总加热时间为2.5min/mm，回火后自然冷却。

2.如权利要求1所述大厚度临氢设备用钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板厚度为137mm。